指向深度學(xué)習(xí)的高中物理U型教學(xué)探究
——以《機械能守恒定律》新授課為例

于方超|廣東省佛山市順德區(qū)倫教中學(xué)

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)逐步形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。核心素養(yǎng)的培育不可能一蹴而就，不僅需要較長的時間，也需要有效的教學(xué)策略，而指向深度學(xué)習(xí)的高中物理U型教學(xué)即是一種有效策略。

一、深度學(xué)習(xí)和U型過程的內(nèi)涵

（一）深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

深度學(xué)習(xí)是對學(xué)習(xí)狀態(tài)的質(zhì)性描述，涉及學(xué)習(xí)的投入程度、思維層次和認(rèn)知體驗等層面，強調(diào)對知識本質(zhì)的理解及對學(xué)習(xí)內(nèi)容的批判性吸收與利用，追求有效的學(xué)習(xí)遷移和真實問題的解決，屬于以高階思維為主要認(rèn)知活動的高投入、有意義的學(xué)習(xí)。

（二）U型過程的內(nèi)涵

杜威認(rèn)為知識不能直接進(jìn)行傳授，知識的學(xué)習(xí)需要經(jīng)歷一個復(fù)雜的過程，即還原與下沉、體驗與探究、反思與上浮的過程，這一過程恰似“U 型”［1］。學(xué)生首先要將書本知識還原與稀釋，還原的過程即知識的“下沉”過程。U型的底部是指學(xué)生對知識進(jìn)行體驗、對話和探究的過程。最后是反思性思維的過程，即經(jīng)過元認(rèn)知過程，將符號知識進(jìn)行升華，實現(xiàn)公共知識的個人意義達(dá)成［2］。

二、U型過程促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的分析

筆者認(rèn)為，深度學(xué)習(xí)的發(fā)生是通過投入新情感、關(guān)聯(lián)新知識、激活新思維、生成新意義和遷移新情境實現(xiàn)的，而U型過程正好適合深度學(xué)習(xí)真實發(fā)生的需要。投入新情感是學(xué)生真實學(xué)習(xí)的認(rèn)知發(fā)生過程，關(guān)聯(lián)新知識、激活新思維、生成新意義是學(xué)生自我建構(gòu)歸納的過程，遷移新情境是學(xué)生將內(nèi)化的結(jié)果外顯演繹的過程。U 型過程的三個環(huán)節(jié)是促進(jìn)深度學(xué)習(xí)五個目標(biāo)達(dá)成的有效路徑。

三、指向深度學(xué)習(xí)的高中物理U型教學(xué)策略

通過分析U 型過程和深度學(xué)習(xí)的內(nèi)在聯(lián)系，筆者提煉出指向深度學(xué)習(xí)的高中物理U型教學(xué)策略：以大情境為基，促進(jìn)還原與下沉，投入新情感；以大問題為鏈，促進(jìn)體驗與探究，關(guān)聯(lián)新知識、激活新思維、生成新意義；以大反思為本，促進(jìn)反思與上浮，遷移新情境。指向深度學(xué)習(xí)的高中物理U型教學(xué)框架如圖1所示。

圖1 指向深度學(xué)習(xí)的高中物理U型教學(xué)框架

下面，筆者以人教版普通高中教科書《物理》必修第二冊第八章第四節(jié)《機械能守恒定律》新授課為例，對U 型過程促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的教學(xué)策略進(jìn)行探討，共分三個步驟。

（一）U型過程促進(jìn)深度學(xué)習(xí)第一步

1.以情境為基，突出高考評價體系的考查載體

高考評價體系最重要的創(chuàng)新之一，即通過“四層”（基礎(chǔ)層、應(yīng)用層、創(chuàng)新層、拓展層）考查內(nèi)容將學(xué)科能力考查和思想道德滲透有機結(jié)合，利用“學(xué)科素養(yǎng)”這一關(guān)鍵點實現(xiàn)融合知識、能力、價值的綜合測評，從而使立德樹人真正在高考評價實踐中落地。情境正是實現(xiàn)“價值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識為基”綜合考查的載體。高考評價體系中的“情境”即“問題情境”，指的是真實的問題背景，是以問題或任務(wù)為中心構(gòu)成的活動場域。

2.設(shè)置大情境，投入新情感

教師將生活中相互關(guān)聯(lián)的充滿趣味的多個小情境進(jìn)行提煉，通過圖文等形式呈現(xiàn)出來即可形成大情境，大情境應(yīng)注意體現(xiàn)應(yīng)用性、綜合性、關(guān)聯(lián)性、開放性等特點。這種情境容易抓住學(xué)生的眼球，激發(fā)學(xué)生參與和探究的熱情，使學(xué)生迅速“入戲”，從而為深度學(xué)習(xí)的真實發(fā)生奠定基礎(chǔ)。

在《機械能守恒定律》新授課中，筆者設(shè)置鐵球大擺錘情境，鼓勵學(xué)生積極觀察、猜想、體驗。

【教學(xué)片段1】

師：（讓一個學(xué)生上來演示實驗）把一個懸掛的鐵球貼著自己的鼻尖由靜止向前釋放，當(dāng)鐵球擺回來的時候，能否碰到一動不動的自己？為什么？其他學(xué)生觀察鐵球的運動并思考。

［生］觀察實驗現(xiàn)象，鐵球來回擺動，第一次返回時剛好貼近學(xué)生的鼻尖。

設(shè)計意圖：這個情境充滿驚險的挑戰(zhàn)，可以迅速激發(fā)學(xué)生探究的熱情，引發(fā)多角度猜測和認(rèn)知沖突，這就啟動了深度學(xué)習(xí)的第一步“投入新情感”。同時，情境的挑戰(zhàn)性能快速有效地使學(xué)生進(jìn)入U 型過程的第一個環(huán)節(jié)“還原與下沉”。

3.以大情境為基，促進(jìn)下沉與還原，多角度關(guān)聯(lián)知識

通過設(shè)置大情境，從不同角度將物理知識關(guān)聯(lián)，不斷激發(fā)學(xué)生切入情境的熱情以及探究欲望，讓學(xué)生從生活情境中“下沉”到物理問題，從解決問題中“還原”物理模型。這是通過U 型過程達(dá)成深度學(xué)習(xí)的第一步。該階段大情境與知識框架如圖2所示。

圖2 大情境與知識框架

【教學(xué)片段2】

師：在觀察中可以發(fā)現(xiàn)，鐵球擺動的最高位置幾乎不變，說明這個過程中存在什么守恒量呢？你能從能量相互轉(zhuǎn)化的角度分析問題嗎？請試著從不同角度將情境鏈接到不同的知識，從生活情境中提出我們要研究的物理問題。

生1：分析該過程的機械能變化，動能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化，機械能總量保持不變，得出機械能守恒定律。（角度1）

生2：繩子足夠長，繩子質(zhì)量不計時，該情境又可以變身為單擺模型，分析受力情況，研究簡諧運動。（角度2）

生3：分析鐵球的運動，短時間內(nèi)總是擺到差不多高度，相比伽利略的斜面實驗，此情境更容易得出牛頓第一定律。（角度3）

師：如果時間足夠長，鐵球擺動越來越低，最后停止，那角度1 的機械能守恒嗎？為什么？（有效引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，給學(xué)生時間讓其認(rèn)真思考）

生4：前提是忽略空氣阻力，機械能才守恒。（角度4）

設(shè)計意圖：基于大情境，學(xué)生從觀察或者體驗的角度，透過情境的表面現(xiàn)象，關(guān)聯(lián)以往的認(rèn)知，多角度提出和關(guān)聯(lián)新的探索性問題或者結(jié)論，從而實現(xiàn)從情境下沉到問題以及從還原模型到解決問題的轉(zhuǎn)變。大情境可以引發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思考，并由情境演變?yōu)橐芯康奈锢韱栴}，由問題關(guān)聯(lián)形成結(jié)構(gòu)化的知識網(wǎng)絡(luò)，從而促進(jìn)關(guān)鍵能力的培養(yǎng)。

（二）U型過程促進(jìn)深度學(xué)習(xí)第二步

1.以問題為鏈，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的關(guān)鍵能力

關(guān)鍵能力指進(jìn)入高等學(xué)校的學(xué)習(xí)者在面對與學(xué)科相關(guān)的生活實踐或問題情境時，為有效地認(rèn)識問題、分析問題、解決問題而必須具備的能力，它主要有三個方面：知識獲取能力群、實踐操作能力群和思維認(rèn)知能力群［3］。高考評價體系將這三個方面關(guān)鍵能力發(fā)展水平的測評作為主要考查內(nèi)容，以區(qū)分學(xué)生綜合能力水平，引導(dǎo)基礎(chǔ)教育培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力。因此，基于學(xué)科素養(yǎng)導(dǎo)向，承接學(xué)科素養(yǎng)要求，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展實際，筆者以問題鏈為抓手，培養(yǎng)學(xué)生這三個方面的關(guān)鍵能力。

2.以大問題為鏈，促進(jìn)體驗與探究，關(guān)聯(lián)新知識、激活新思維、生成新意義

大問題是聚焦于核心大概念、超越知識本身，對某一主題知識展開深度理解，激發(fā)知識間的關(guān)聯(lián)的綜合性問題。大問題可以拆解為多個小問題，每個小問題均須設(shè)置具體情境，以便讓學(xué)生在情境中體驗與探究，并通過破解小問題，最終解決大問題。最主要的是在體驗與探究的過程中，學(xué)生需要對知識間的多點結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度聯(lián)結(jié)，從而提升思維的進(jìn)階水平，這對最終培養(yǎng)學(xué)生高通路遷移解決生活中的真實問題有重大意義。這是通過U 型過程達(dá)成深度學(xué)習(xí)的第二步。該階段大問題、知識結(jié)構(gòu)與思維框架如圖3所示。

圖3 大問題、知識結(jié)構(gòu)與思維框架

基于真實情境的物理問題的解決過程，總是不斷通過觀察、猜想、實驗才得出結(jié)論的，在這個不斷證偽的過程中，反復(fù)出現(xiàn)的問題就是大問題。在《機械能守恒定律》新授課中，筆者鼓勵學(xué)生大膽猜想“系統(tǒng)內(nèi)動能、重力勢能、彈性勢能三種能量相互轉(zhuǎn)化的過程中，機械能總量可能保持不變”，然后將猜想逐級變成要研究的大問題。學(xué)生需要通過實驗的方式進(jìn)行探究、檢驗。那么，如何設(shè)計方案檢驗?zāi)兀?/p>

【教學(xué)片段3】

［教師活動］將大問題分解為若干個子問題：“實驗需要設(shè)計什么樣的具有可行性的方案？實驗需要測量哪些物理量？實驗需要用到哪些儀器？它們分別能測什么物理量？實驗需要設(shè)計哪些必要的步驟？等等?！币源艘龑?dǎo)學(xué)生鏈接已學(xué)過的自由落體運動并借助打點計時器來進(jìn)行實驗探究。同時給出實驗裝置圖，展示實驗?zāi)康摹袄弥匚锏淖杂上侣潋炞C機械能守恒定律”，提供實驗器材，如鐵架臺（含鐵夾）、電磁打點計時器、刻度尺、重物、紙帶、電源等。

［學(xué)生活動］依照實驗裝置安裝器材，先接通打點計時器的電源，待電源穩(wěn)定后，使重物自由下落，用紙帶記錄重物下落的點跡，重復(fù)實驗3～5次，從中選出一條點跡清晰的紙帶，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并驗證。

設(shè)計意圖：通過實驗情境的猜想，以大問題為鏈，將大問題分解為多個子問題，關(guān)聯(lián)多個知識模塊，形成知識結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，使學(xué)生在解決問題中不斷激活新思維。通過思維進(jìn)階形成思維網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生在解決實際問題的過程中就能生成物理觀念的新意義。

（三）U型過程促進(jìn)深度學(xué)習(xí)第三步

1.以反思為本，有效提升“教—學(xué)—評”一體化水平

在經(jīng)歷一系列探究之后，師生都需要對教與學(xué)進(jìn)行反思。對教師而言，反思能促進(jìn)教學(xué)過程、環(huán)節(jié)、細(xì)節(jié)的改進(jìn)，提升教學(xué)質(zhì)量水平；對學(xué)生而言，反思能有效提升科學(xué)思維能力，形成物理觀念，在真實的情境中解決問題，實現(xiàn)真正的遷移。因此，以反思為本，能明顯提升“教—學(xué)—評”一體化水平。

2.以大反思為本，促進(jìn)反思與上浮，遷移新情境

大反思指師生對教與學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行的反饋與思考，是提升教與學(xué)評價的一種策略。以學(xué)為例，學(xué)生在體驗與探究之后，以小組的形式進(jìn)行回顧與反思。通過多角度的反思，學(xué)生可厘清各個知識結(jié)構(gòu)的內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)，在理解知識的基礎(chǔ)上形成物理觀念，并謀求在解決真實問題的過程中高通路遷移。這是通過U型過程達(dá)成深度學(xué)習(xí)的第三步。該階段大反思、物理觀念與實際問題框架如圖4所示。

圖4 大反思、物理觀念與實際問題框架

在《機械能守恒定律》新授課中，筆者引導(dǎo)學(xué)生對機械能守恒定律的探究過程進(jìn)行深度反思，通過對問題的逐步分析，得到機械能守恒的條件，理解“系統(tǒng)內(nèi)”等難題。

【教學(xué)片段4】

師：如果物體除了受到重力外，還受到其他不能忽略的力，機械能是否守恒呢？如果不守恒，機械能如何變化呢？

生：機械能守恒的條件為系統(tǒng)內(nèi)僅有重力和彈簧彈力做功。如果系統(tǒng)以外的力做負(fù)功，系統(tǒng)機械能減少；如果系統(tǒng)以外的力做正功，系統(tǒng)機械能增加。

師：如何理解“系統(tǒng)內(nèi)”呢？（待學(xué)生思考作答后給出小結(jié)）我們通常說的“物體做自由落體運動時機械能守恒”是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模亓菽艿慕⑹腔诘厍蛑亓?，沒有地球，重力勢能就沒有意義，所以這里的“系統(tǒng)內(nèi)”應(yīng)該是指物體和地球之間。

［師生活動］教師設(shè)置生活中學(xué)生經(jīng)常玩的一個游戲，讓學(xué)生解決實際問題。教師解說游戲：取一支按壓式圓珠筆，將筆的按壓式小帽朝下按在桌面上，放手后筆將上升一定高度。然后，教師要求學(xué)生設(shè)計實驗方案并動手實踐，估算按壓時圓珠筆內(nèi)部彈簧的彈性勢能增加了多少。待學(xué)生反思后再追問：“實際過程中，筆的機械能是否守恒？為什么？”學(xué)生思考后給出答案：不守恒，原因是有空氣阻力及筆帽和內(nèi)芯的完全非彈性碰撞等。

設(shè)計意圖：通過問題鏈的形式進(jìn)行驅(qū)動，使學(xué)生對核心概念的邊界條件進(jìn)行深度反思。該環(huán)節(jié)以大反思為本，立足學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，通過問題進(jìn)階的方式，一步步提升學(xué)生的物理觀念，并在解決生活中真實的物理情境問題中，進(jìn)一步提升學(xué)生的遷移能力。

綜上，筆者通過分析U型過程和深度學(xué)習(xí)的內(nèi)在聯(lián)系，探討應(yīng)用U型過程達(dá)成深度學(xué)習(xí)的策略，旨在為一線教師提供教學(xué)參考，共同提升教學(xué)質(zhì)量。筆者認(rèn)為，課堂教學(xué)要通過好的情境素材把核心素養(yǎng)和課程內(nèi)容進(jìn)行深度關(guān)聯(lián)，形成學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動、過程性評價相統(tǒng)一的實踐性學(xué)習(xí)過程［4］。在今后的教學(xué)中，筆者仍將努力探索并實踐，愿與大家共勉。